汽车自动雨刷控制系统的硬件设计
汽车自动雨刷控制系统的硬件设计[20200409174140]
摘 要
雨刮器是安装在挡风玻璃前方的片式结构，由电动机、减速机构、刮水刷片总成和驱动杆铰链等组成的。用于清除驾驶室挡风玻璃上妨碍驾驶员视线的雨水、雪花、尘土等污物。
本文相继对四种雨滴传感器的构造和原理进行了分析，并根据要把雨滴传感器安装在汽车挡风玻璃内侧的需要，设计出一款新型的自动雨刷控制系统，取代了传统的机械结构雨刮器。该雨刮器系统基于光强变化的原理，通过红外线雨滴传感器来分辨是否下雨，使雨刮器自动运转，从而实现了雨刮器的智能化控制。
在本文中，通过搭建单片机及外围设备完成了对雨刮器硬件电路的设计。并对整个雨刷控制系统进行了PROTEUS模拟仿真，结果表明该智能雨刮系统响应速度快，性能稳定，提高了雨刮器的智能化。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:雨滴传感器单片机雨刮器
目 录
1. 引 言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究的意义 1
1.3 论文的内容 1
2. 雨滴传感控制电路的设计 3
2.1 雨滴传感器种类 3
2.2 雨滴传感器的选择 5
2.3 红外雨滴传感器的原理 6
2.3.1 光学基础 6
2.3.2 红外线雨滴传感器的工作原理 7
2.3.3 红外线雨滴传感器的应用 8
2.4 红外雨滴传感器的硬件设计 9
2.4.1 发射模块 9
2.4.2 接收模块 13
2.4.3 雨滴传感器硬件设计电路图 15
3. 雨刮器电机控制的设计 17
3.1 智能雨刮器的结构框图 17
3.2 雨刮器电机控制的硬件设计 17
3.2.1 雨刮器电机控制的硬件组成及芯片介绍 17
3.2.2 雨刮器电机控制部分硬件图 20
4. 自动雨刷控制系统模拟仿真 22
4.1 系统使用的软件简介 22
4.1.1 Keil程序编译调试软件 22
4.1.2 Proteus仿真软件 22
4.2 软件调试 23
总结 27
参考文献 28
致谢 29
附录 仿真电路图 30
1. 引 言
1.1 研究背景
汽车工业是一个产业链很长的行业，对国民经济有很强的拉动效应。伴随着我国居民人均收入的提高,汽车渐渐进入家庭。现代汽车正从一个简单的代步工具朝着满足人们安全、节能和环保等方向发展。为了满足汽车日益增长的需求，高新技术已被越来越多的汽车研发人员使用到汽车上，本课题研究的智能控制系统就是其中的一个重要组成部分。
自从1927年电动雨刷器被发明、发展、使用至今，现代雨刷器的发展历程了整整83个年头。现在，无论是在高端豪华车，或普通的民用车辆，或重型货车，雨刮器已成为一个很重要的部件。
雨刮器芯片的结构设置在前挡风玻璃内侧，其组成包含电机，减速器，刮刷组件和驱动杆铰链等。用于清除驾驶室挡风玻璃上干扰视线的雨，雪，灰尘和污垢。以确保玻璃的透明和清晰。
伴随着汽车电子技术的发展，各类传感器在汽车上的应用已经十分普遍。目前， 汽车传感器主要用于测量冷却水，排气和发动机内外部的空气温度以及发动机控制系统，磁盘控制系统，也用于测量进气、燃料消耗，废气再循环系统和导航系统。关于汽车雨刮器的研究，智能雨滴传感器是一个重要的研究对象。它通过对外界信息进行一定的检测后加以数据处理，具有很强的自适应能力。
1.2 研究的意义
据不完全统计，世界上有百分之七的事故是于由驾驶员手动操纵雨刮器造成的，因而现在的汽车安装更多的传感器，以增加主动和被动安全。本课题设计的自动雨刷控制系统能让驾驶员无需手动操作雨刮器，极大的方便了驾驶员集中精力开车，从而有效地提高了雨天行车的安全性。设计中选取的雨滴传感器基于光强变化的原理来分辨是否下雨，使雨刮器自动运转，并及时的清除挡风玻璃上的雨水，使得驾驶员能够清楚的看清前方的行人和车辆，避免事故的发生。
1.3 论文的内容
论文根据智能雨刷的特点，研究了以下内容：
（1）本文结合了汽车雨刮器的发展历史以及雨滴传感器的应用和发展趋势，提出了汽车智能雨刮器的研究方案。
（2）在汽车智能雨刮系统中，汽车雨滴传感器起着重要的作用。本课题通过分析雨滴传感器的结构和原理，并根据要把雨滴传感器安装在汽车挡风玻璃内侧的需要，设计出一款基于红外雨滴传感器的自动雨刷控制系统。
（3）绘制智能雨刮器的构造图以及雨滴传感器前端硬件设计和后端电机控制的硬件设计图，最后附上该设计总的硬件图。
（4）经模拟仿真结果表明，该智能雨刷控制系统反应较快，性能稳定，能够让雨刷器自动运转，实现了雨刮器的智能性控制。
2. 雨滴传感控制电路的设计
汽车自动雨刷控制系统，将雨滴传感器检出的雨量大小转换成电信号，微控制器根据电信号的大小，控制刮雨器运作。在整个系统中雨滴传感器发挥了至关重要的作用。
2.1 雨滴传感器种类
（1）流量型雨滴传感器
流量型雨滴传感器的工作原理图如下图2-1所示：S1/S2/S3为流量检测电极板，S1到S2的距离为2.5cm，距离较近，小雨量时T1先导通，J1吸合，雨刮电机低速转动；S1到S3的距离为3cm，距离较远，大雨量时T2导通J2继电器吸合，常开触点接通，雨刮电机高速转动。
图 2-1 流量型雨滴传感器原理图
（2）静电电容式雨滴传感器
静电电容式雨滴传感器的工作原理图如图2-2 所示：
图 2-2 静电电容雨滴传感器原理图
式（2.1）
见公式（2.1），在电极面积（S）和电极的间隔（d）不变的情况下，静电容C由介电系数（ε）决定。因水和空气的ε值不同，C根据雨滴的大小而变，通过静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，实现对雨刷器的控制操作。
（3）压电振子式雨滴传感器
压电振子式雨滴传感器的原理图如图 2-3 所示：
图 2-3 压电振子的传感原理
当无雨时，如图（a）压电振子未发生振动，电路处于断开状态，雨滴传感器停止工作。当下雨时，雨滴滴到压电振子上，振子发生振动，电路闭合，雨滴传感器开始工作。根据检测雨滴的大小，压电振子发出不同的电压，从而控制雨滴传感器的运行。
压电振子式雨滴传感器的构成以及压电元件的结构如图 2-4 和图 2-5 所示：
图 2-4 压电振子式雨滴传感器的构成
1—阻尼橡胶 2—压电元件 3—不锈钢振动板 4—上盖 5—混合集成电路 6—电容器
7—密封条 8—下盖 9—电路板 10—密封套 11—套管 12—线束
图 2-5 压电元件的结构
1—陶瓷（钛酸钡） 2—电极（金属蒸发）
（4）红外雨滴传感器
红外雨滴传感器基于光强变化的原理，利用光从光密介质到光疏介质传导来分辨雨量的大小，从而使雨刮器自动进入高低速运转。如下图 2-6 所示，首先红外发射管发出红外线，经过敏感区域时一部分光发生散射，还有一部分红外线被挡风玻璃反射出来，反射后的红外线被红外接收管接收。而测量控制电路则是用来将通过反射率计算出雨量的大小的雨量信号进行转变，从而使雨刮器能够正常运行。
图 2-6 红外雨滴传感器原理图
2.2 雨滴传感器的选择
上面介绍的前三种流量型雨滴传感器、静电电容式雨滴传感器以及压电振子式雨滴传感器都需要安装在汽车的外部，而本课题需要将雨滴传感器安放在汽车的内部，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。所以选用了第四种传感器—红外雨滴传感器。该雨滴传感器基于光强变化的原理，来检测雨量的大小，使雨刮器自动进入高低速运转。从而实现了雨刮器的智能性。
摘 要
雨刮器是安装在挡风玻璃前方的片式结构，由电动机、减速机构、刮水刷片总成和驱动杆铰链等组成的。用于清除驾驶室挡风玻璃上妨碍驾驶员视线的雨水、雪花、尘土等污物。
本文相继对四种雨滴传感器的构造和原理进行了分析，并根据要把雨滴传感器安装在汽车挡风玻璃内侧的需要，设计出一款新型的自动雨刷控制系统，取代了传统的机械结构雨刮器。该雨刮器系统基于光强变化的原理，通过红外线雨滴传感器来分辨是否下雨，使雨刮器自动运转，从而实现了雨刮器的智能化控制。
在本文中，通过搭建单片机及外围设备完成了对雨刮器硬件电路的设计。并对整个雨刷控制系统进行了PROTEUS模拟仿真，结果表明该智能雨刮系统响应速度快，性能稳定，提高了雨刮器的智能化。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:雨滴传感器单片机雨刮器
目 录
1. 引 言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究的意义 1
1.3 论文的内容 1
2. 雨滴传感控制电路的设计 3
2.1 雨滴传感器种类 3
2.2 雨滴传感器的选择 5
2.3 红外雨滴传感器的原理 6
2.3.1 光学基础 6
2.3.2 红外线雨滴传感器的工作原理 7
2.3.3 红外线雨滴传感器的应用 8
2.4 红外雨滴传感器的硬件设计 9
2.4.1 发射模块 9
2.4.2 接收模块 13
2.4.3 雨滴传感器硬件设计电路图 15
3. 雨刮器电机控制的设计 17
3.1 智能雨刮器的结构框图 17
3.2 雨刮器电机控制的硬件设计 17
3.2.1 雨刮器电机控制的硬件组成及芯片介绍 17
3.2.2 雨刮器电机控制部分硬件图 20
4. 自动雨刷控制系统模拟仿真 22
4.1 系统使用的软件简介 22
4.1.1 Keil程序编译调试软件 22
4.1.2 Proteus仿真软件 22
4.2 软件调试 23
总结 27
参考文献 28
致谢 29
附录 仿真电路图 30
1. 引 言
1.1 研究背景
汽车工业是一个产业链很长的行业，对国民经济有很强的拉动效应。伴随着我国居民人均收入的提高,汽车渐渐进入家庭。现代汽车正从一个简单的代步工具朝着满足人们安全、节能和环保等方向发展。为了满足汽车日益增长的需求，高新技术已被越来越多的汽车研发人员使用到汽车上，本课题研究的智能控制系统就是其中的一个重要组成部分。
自从1927年电动雨刷器被发明、发展、使用至今，现
雨刮器芯片的结构设置在前挡风玻璃内侧，其组成包含电机，减速器，刮刷组件和驱动杆铰链等。用于清除驾驶室挡风玻璃上干扰视线的雨，雪，灰尘和污垢。以确保玻璃的透明和清晰。
伴随着汽车电子技术的发展，各类传感器在汽车上的应用已经十分普遍。目前， 汽车传感器主要用于测量冷却水，排气和发动机内外部的空气温度以及发动机控制系统，磁盘控制系统，也用于测量进气、燃料消耗，废气再循环系统和导航系统。关于汽车雨刮器的研究，智能雨滴传感器是一个重要的研究对象。它通过对外界信息进行一定的检测后加以数据处理，具有很强的自适应能力。
1.2 研究的意义
据不完全统计，世界上有百分之七的事故是于由驾驶员手动操纵雨刮器造成的，因而现在的汽车安装更多的传感器，以增加主动和被动安全。本课题设计的自动雨刷控制系统能让驾驶员无需手动操作雨刮器，极大的方便了驾驶员集中精力开车，从而有效地提高了雨天行车的安全性。设计中选取的雨滴传感器基于光强变化的原理来分辨是否下雨，使雨刮器自动运转，并及时的清除挡风玻璃上的雨水，使得驾驶员能够清楚的看清前方的行人和车辆，避免事故的发生。
1.3 论文的内容
论文根据智能雨刷的特点，研究了以下内容：
（1）本文结合了汽车雨刮器的发展历史以及雨滴传感器的应用和发展趋势，提出了汽车智能雨刮器的研究方案。
（2）在汽车智能雨刮系统中，汽车雨滴传感器起着重要的作用。本课题通过分析雨滴传感器的结构和原理，并根据要把雨滴传感器安装在汽车挡风玻璃内侧的需要，设计出一款基于红外雨滴传感器的自动雨刷控制系统。
（3）绘制智能雨刮器的构造图以及雨滴传感器前端硬件设计和后端电机控制的硬件设计图，最后附上该设计总的硬件图。
（4）经模拟仿真结果表明，该智能雨刷控制系统反应较快，性能稳定，能够让雨刷器自动运转，实现了雨刮器的智能性控制。
2. 雨滴传感控制电路的设计
汽车自动雨刷控制系统，将雨滴传感器检出的雨量大小转换成电信号，微控制器根据电信号的大小，控制刮雨器运作。在整个系统中雨滴传感器发挥了至关重要的作用。
2.1 雨滴传感器种类
（1）流量型雨滴传感器
流量型雨滴传感器的工作原理图如下图2-1所示：S1/S2/S3为流量检测电极板，S1到S2的距离为2.5cm，距离较近，小雨量时T1先导通，J1吸合，雨刮电机低速转动；S1到S3的距离为3cm，距离较远，大雨量时T2导通J2继电器吸合，常开触点接通，雨刮电机高速转动。
图 2-1 流量型雨滴传感器原理图
（2）静电电容式雨滴传感器
静电电容式雨滴传感器的工作原理图如图2-2 所示：
图 2-2 静电电容雨滴传感器原理图
式（2.1）
见公式（2.1），在电极面积（S）和电极的间隔（d）不变的情况下，静电容C由介电系数（ε）决定。因水和空气的ε值不同，C根据雨滴的大小而变，通过静电容的变化，改变振荡电路的振荡频率，实现对雨刷器的控制操作。
（3）压电振子式雨滴传感器
压电振子式雨滴传感器的原理图如图 2-3 所示：
图 2-3 压电振子的传感原理
当无雨时，如图（a）压电振子未发生振动，电路处于断开状态，雨滴传感器停止工作。当下雨时，雨滴滴到压电振子上，振子发生振动，电路闭合，雨滴传感器开始工作。根据检测雨滴的大小，压电振子发出不同的电压，从而控制雨滴传感器的运行。
压电振子式雨滴传感器的构成以及压电元件的结构如图 2-4 和图 2-5 所示：
图 2-4 压电振子式雨滴传感器的构成
1—阻尼橡胶 2—压电元件 3—不锈钢振动板 4—上盖 5—混合集成电路 6—电容器
7—密封条 8—下盖 9—电路板 10—密封套 11—套管 12—线束
图 2-5 压电元件的结构
1—陶瓷（钛酸钡） 2—电极（金属蒸发）
（4）红外雨滴传感器
红外雨滴传感器基于光强变化的原理，利用光从光密介质到光疏介质传导来分辨雨量的大小，从而使雨刮器自动进入高低速运转。如下图 2-6 所示，首先红外发射管发出红外线，经过敏感区域时一部分光发生散射，还有一部分红外线被挡风玻璃反射出来，反射后的红外线被红外接收管接收。而测量控制电路则是用来将通过反射率计算出雨量的大小的雨量信号进行转变，从而使雨刮器能够正常运行。
图 2-6 红外雨滴传感器原理图
2.2 雨滴传感器的选择
上面介绍的前三种流量型雨滴传感器、静电电容式雨滴传感器以及压电振子式雨滴传感器都需要安装在汽车的外部，而本课题需要将雨滴传感器安放在汽车的内部，即驾驶室一侧的风挡玻璃上。所以选用了第四种传感器—红外雨滴传感器。该雨滴传感器基于光强变化的原理，来检测雨量的大小，使雨刮器自动进入高低速运转。从而实现了雨刮器的智能性。
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